本发明涉及一种大气水样收集装置，包括抽气泵连接的净化室，净化室连接冷阱，冷阱底端的出口连接有漏斗，漏斗连接水样瓶。采用抽气泵来输送空气；净化室用来过滤、吸附空气中的固体颗粒物和其他杂质，避免其对结果造成影响；冷阱通过金属容器的导热，使大气水汽遇冷凝结；由漏斗、水样瓶、支架和密封盖收集存储样品，可有效隔绝空气，减少蒸发量。本发明提供的装置能够有效去除空气中的杂质，提高水样的洁净度，减小实验结果的误差；具有很强的密封性，避免水样收集过程中升华以及蒸发导致的同位素分馏，有利于开展利用同位素示踪来揭示水汽来源等研究；此外，还具有收集速度平稳高效，节能环保，造价低廉等优点。